Große Vorteile bei Niedrigwasser
Leichtbau für Frachtschiffe
Niedrige Pegelstände setzen der Binnenschifffahrt schwer zu. Weiter vertiefte Fahrrinnen sind wegen der ökologischen Auswirkungen umstritten, eine Verlagerung der Schwertransporte auf die Straße ist bei vielen Gütern nicht möglich. Nachhaltiger ist es, bei der Konstruktion von Schiffen anzusetzen.
Ein reduziertes Gewicht der Schiffe bedeutet weniger Tiefgang und damit die Option, auch dann noch Güter zu transportieren, wenn andere Schiffe auf Grund zu laufen drohen. Beispielsweise könnten Schiffswände und Decks in Sandwich-Bauweise deutliche Gewichtseinsparungen ermöglichen, die bei Niedrigwasser die Zuladungsfähigkeit gegenüber dem Nettoschiffsgewicht um bis zu 30 Prozent erhöhen – oder bei gleicher Zuladung niedrigere Pegelstände vertragen.
Sandwich-Bauweise mit leichtem Kern aus Aluminiumschaum
In einer solchen Sandwich-Bauweise wird Aluminiumschaum zwischen zwei dünne Stahl- oder Aluminiumplatten platziert. Aluminiumschaum ist ein ultraleichter metallischer Strukturwerkstoff mit einer Dichte von deutlich unter einem Gramm pro Kubikzentimeter.
Das Grundprinzip der Herstellung von Aluminiumschaum ist ähnlich wie beim Aufschäumen eines Kuchenteigs: Einem Aluminiumpulver wird ein Treibmittelpulver, beispielsweise Titanhydrid, zugegeben, das bei Erwärmung Gas freisetzt, meist Wasserstoff. Die entstehenden Gasblasen verteilen sich im flüssigen Aluminium und blähen es zu einer schaumartigen Struktur auf. Im Schäumprozess verbindet sich der Aluminiumschaum mit den metallischen Deckblechen im metallischen Stoffschluss. Für die Verbundfertigung wird kein Klebstoff benötigt – ein großer Vorteil bei der späteren Wiederverwertung. Anschließend wird der Schaum abgekühlt und erstarrt, sodass die poröse Struktur dauerhaft erhalten bleibt.
Dünne Deckbleche, leichter Schaumkern: typische Sandwich-Bauweise mit Aluminium- oder Stahlblech als Deckmaterial.
Sehr leichter Werkstoff mit vielen eingeschlossenen Poren
Das Ergebnis ist ein Werkstoff mit vielen eingeschlossenen Poren, der sehr leicht ist. Am Fraunhofer IWU werden Konstruktionen mit Aluminiumschaum beispielsweise für Werkzeugmaschinen oder Gehäuse von Traktionsbatterien in E-Autos entwickelt.
Dr. Jörg Hohlfeld, Leiter der Gruppe Metallschaum am Fraunhofer IWU, unterstreicht, dass solche Sandwiches auch für Schiffsaußenhäute und Schiffsaufbauten bestens geeignet sind: »Bei etwa 30 Prozent Mindergewicht gegenüber herkömmlichem Schiffbaustahl stehen sie bisherigen Stahlplatten an Steifigkeit keineswegs nach.«
Fertigungstechnisch keine unlösbaren Hürden
Der leichte und schubsteife Aluminiumschaumkern hat die Aufgabe, die Bleche auf konstantem Abstand zu halten und damit die Biegesteifigkeit des Sandwiches zu erhalten. Die außen liegenden Bleche nehmen die angreifenden Lasten auf und leiten diese ab.
Fertigungstechnisch sehen die Forschenden keine unlösbaren Hürden: Die gleichmäßige Verteilung der Porenstruktur im Schaumkern ist inzwischen auch bei großvolumigen Bauteilen gut beherrschbar, reproduzierbare Eigenschaften können sichergestellt werden. Die Sandwiches lassen sich in größeren Abmessungen (z. B. 2,0 m x 1,5 m) vorfertigen und mit gängigen Schweißverfahren (z. B. MAG) zu großen Baugruppen fügen.
Höhere Material- und Prozesskosten rechnen sich wirtschaftlich und ökologisch
Etwas höhere Material- und Prozesskosten bei der Herstellung der Sandwiches gegenüber konventionellen Stahlplatten dürften im Schiffbau gerade durch die wirtschaftlichen und ökologischen Vorteile mehr als ausgeglichen werden – denn Perioden mit wenig Niederschlag und niedrigen Pegelständen haben in den vergangenen Jahren deutlich zugenommen.
Das Leichtbaukonzept für Binnencontainerschiffe mit Aluminiumschaum-Sandwiches entstand im Rahmen eines Projekts mit den Partnern SMK Ingenieure (Chemnitz), SET Schiffbau- und Entwicklungsgesellschaft Tangermünde (Genthin), Krafotec (Wittenberg), IFF Engineering & Consulting (Leipzig), Fraunhofer IFF (Magdeburg) und wurde gefördert vom BMWE (Projektträger Jülich).
